EP0742355A1

EP0742355A1 - Verfahren zur Regelung eines Turbo-Strahltriebwerkes

Info

Publication number: EP0742355A1
Application number: EP96106809A
Authority: EP
Inventors: Joachim Dr. Kurzke
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1995-05-06
Filing date: 1996-04-30
Publication date: 1996-11-13
Anticipated expiration: 2016-04-30
Also published as: DE19516693C1; ES2127586T3; EP0742355B1; DE59601031D1

Abstract

Verfahren zur Regelung eines Turbo-Strahltriebwerkes, bei welchem eine für verschiedene Lufteintritts- und Flugzustandsgrößen gegebene, korrigierbare Vollast-Turbinentemperatur Tv soll mittels eines Reglers eingestellt und gespeichert wird, wobei zur Erzielung eines für verschiedene Lufteintrittszustände gegebenen Düsendrucksollwertes Ps7 soll für Vollast die eingestellte Vollast-Turbinentemperatur Tv soll betriebszeitabhängig um einen Korrekturwert dTK korrigiert wird, der sich aus einem Satz gemessener Eingangs- und Regelgrößen bei stationärem Vollast- oder Teillast-Betriebszustand des Triebwerkes ergibt, wobei die Vollast-Turbinentemperatur Tv soll maximal gleich der höchst zulässigen Turbinentemperatur Tv max ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Turbostrahltriebwerkes, bei welchem eine für verschiedene Lufteintritts- und Flugzustandsgrößen gegebene korrigierbare Vollast-Turbinentemperatur T_{v soll} mittels eines Reglers eingestellt und gespeichert wird.
Die Leistung einer Gasturbine ist direkt abhängig von der im Betrieb maximal zulässigen Brennkammeraustrittstemperatur. Diese ist nicht direkt meßbar. Statt dessen wird in der Praxis eine Temperatur im Turbinenbereich gemessen. Dabei kann man Thermoelemente - stromaufwärts oder stromabwärts von der Niederdruckturbine angeordnet - verwenden oder auch Pyrometer, die direkt die Rotorschaufeltemperatur der Hoch- oder der Niederdruckturbine messen.
Die Gasturbinenkomponenten (Verdichter, Turbinen, Dichtungen usw.) unterliegen während des Betriebes einem Alterungsprozeß. Durch Abnutzung und Verschmutzung sinken die Komponentenwirkungsgrade. Die internen Leckagen können sich vergrößern. Dadurch sinkt die abgegebene Leistung bzw. der Schub bei vorgegebener Turbinentemperatur. Eine Regelung auf konstante Turbinentemperatur wird daher zu einem allmählichen Leistungsabfall führen.
Die Verminderung der abgegebenen Leistung im Laufe der Zeit ist für viele Anwendungen unerwürscht. Eine Regelung aufkonstante Leistung ist erforderlich. Sie führt allerdings dazu, daß sich mit zunehmender Betriebszeit die Turbinentemperaturen allmählich erhöhen.
Im Falle einer Fluggasturbine mit einer Düse (also ein Einstromtriebwerk oder ein Zweistromtriebwerk mit Mischung) kann der abgegebene Schub bei stationärem Betrieb und ungestörter Zuströmung zum Triebwerk sehr gut aus dem Totaldruck P2 und der Totaltemperatur T2 am Triebwerkseinritt, der Niederdruckdrehzahl NL, einem gemessenen Druck am Düseneintritt Ps₇ und der Schubdüsenfläche A8 bestimmt werden.
Bei instationären Zuständen und besonders bei gestörter Zuströmung zum Triebwerk (ungleichmäßige Totaldruckverteilung über dem Umfang und dem Radius) ist es nicht möglich, den Schub ausreichend genau aus den oben aufgeführten Meßwerten zu bestimmen. Würde man in einem solchen Fall auf einen aus stationären Zusammenhängen hergeleiteten Parameter regeln, dann könnte man entweder zuviel oder zuwenig Schub erzeugen - das hängt von den speziellen Gegebenheiten ab. Wenn zuviel Schub erzeugt wird, dann wird die Turbine unnötig heiß gefahren und verliert an Lebensdauer.
Die Regelung der Gasturbine auf eine gemessene Temperatur im Turbinenbereich gewährleistet den besten Schutz der Heißteile und minimiert somit den Lebensdauerverbrauch von Brennkammer und Turbinen. Um den mit Alterungsprozessen verbundenen Leistungsverlust zu vermeiden, ist jedoch eine mit der Betriebszeit veränderliche Temperaturbegrenzung erforderlich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Regelung eines Turbostrahltriebwerks anzugeben, bei dem die Turbinentemperatur im Laufe der Betriebszeit so angehoben wird, daß die Triebwerksleistung bzw. der Schub des Strahltriebwerks trotz der im Lauf der Betriebszeit auftretenden Verschlechterung der Triebwerkskomponenten und trotz veränderter Leckagen konstant hoch bleiben kann.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem Regelverfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zur Erzielung eines für verschiedene Lufteintritts- un Flugzustände gegebenen Düsendrucksollwertes Ps_{7 soll} für Vollast die eingestellte Vollast-Turbinetemperatur T_{v soll} um einen betriebszeitabhängigen Korrekturwert dT_K korrigiert wird,der sich aus einem Satz gemessener Eingangs- und Regelgrößen bei stationärem Vollast- oder Teillast-Betriebszustand des Triebwerkes ergibt, wobei die Vollast-Turbinentemperatur T_{v soll} maximal gleich der höchst zulässigen Turbinentemperatur T_{v max} ist.
Vorteilhaft ist es, wenn der Korrekturwert dT_K aus der Differenz zwischen der höchst zulässigen Turbinentemperatur T_{v max} und einer Turbinenisttemperatur T_ist und nach Abzug einer errechneten Temperaturerhöhung dT₁ gebildet wird, die zur Erzielung des Düsendrucksollwertes Ps_{7 soll} für Vollast ausgehend von der Turbinenisttemperatur T_ist notwendig ist.
Die Temperaturerhöhung dT₁ soll vorzugsweise aus einer gespeicherten Korrelation errechnet werden, die die Differenz zwischen dem stationär gemessenen Düsendruckistwert Ps_{7 ist} und dem Düsendrucksollwert Ps_soll in Abhängigkeit des Betriebszustandes verwendet.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Patentansprüchen 4 bis 8 aufgezeigt.
Anhand des Blockschaltbildes der beigefügten Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Regelverfahrens erläuert. Die dargestellte Regelung ist für ein Turbostrahltriebwerk in Einstrom- oder Zweistrombauweise mit oder ohne Mischung anwendbar. Das hier behandelte Beispiel legt ein Zweistromtriebwerk mit Mischung der beiden Ströme zugrunde; es gelten folgende Bezeichnungen:

1. Totaldruck am Triebwerkseintritt P2
2. Totaltemperatur am Triebwerkseintritt T2
3. Niederdruckdrehzahl NL
4. Hochdruckdrehzahl NH
5. Gashebelstellung PLA ( = Drosselgrad)
6. statischer Düseneintrittsdruck Ps₇
7. Düsenfläche A8
8. Turbinentemperatur T

Für stationäre Betriebszustände mit ungestörter Zuströmung zum Triebwerk wird ein Sollwert für den statischen Druck am Düseneintritt Ps_{7 soll} abhängig von den Triebwerkseintrittsbedingungen T2 und P2 definiert und als feste Korrelation im digitalen Regler gespeichert. ${Ps}_{7 soll} = f(T2, P2)$
Der Sollwert Ps_{7 soll} wird so definiert, daß der durch die Gashebelstellung "Vollast" gewünschte Schub erreicht wird.
Es wird ferner eine feste Korrelation für den Sollwert der Turbinentemperatur T im digitalen Regler gespeichert: $T_{v soll} = f(T2, P2)$
Der Sollwert T _{v soll} wird so definiert, daß ein durchschnittliches neues Triebwerk bei Gashebelposition "Vollast" den statischen Düseneintrittsdruck Ps_{7 soll} erzeugt.
Das Triebwerk soll bei Gashebelstellung auf "Vollast" und stationärem Betrieb stets am Temperaturbegrenzer betrieben werden, es sei denn, ein anderer Grenzwert (z. B. eine maximale Drehzahl oder ein maximal zulässiger Druck) erfordert eine niedrigere Turbinentemperatur.
Während des Fluges wird vom digitalen Regler geprüft, ob ein stationärer Betriebszustand des Triebwerks vorliegt. Die Kriterien dafür sind:

1. Gashebelstellung unverändert seit x Sekunden
2. T2 hat sich seit x Sekunden um weniger als ±y_T geändert.
3. P2 hat sich seit x Sekunden um weniger als ±y_P geändert
4. Bei variabler Düse: A8 hat sich um weniger als ±y_A8 geändert.
5. NL hat sich um weniger als ±y_NL geändert.
6. NH hat sich um weniger als ±y_NH geändert.
7. Das Flugzeug befindet sich seit x Sekunden in einer stationären Fluglage, die zu nur unbedeutenden Störungen in der Zuströmung zum Triebwerk führt.

Wenn es sich nach obigen Kriterien um einen stationären Betriebszustand handelt und außerdem T2 sowie P2 in jeweils begrenzten Wertebereichen liegen, dann sind alle für die folgende Berechnung benötigten Meßwerte im digitalen Regler als "Schnappschuß" (= Momentanzustand) abzuspeichern.

Berechnung:

Im Schnappschuß werden u. a. die Turbinentemperatur gemessen und der statische Düseneintrittsdruck Ps₇ gemessen. Die Temperaturänderung, die notwendig wäre, um den Vollastwert von Ps₇ zu erreichen, wird bestimmt aus folgender im digitalen Regler gespeicherten Korrelation, die im Blockschaltbild mit I bezeichnet ist. ${dT}_{1} {= f(Ps}_{7 gemessen} {- Ps}_{7 soll}, T2, P2, A8)$
Dieser Wert dT wird zum Meßwert T_gemessen addiert und ergibt diejenige Temperatur, die notwendig wäre, um den Vollastschub zu erreichen: $T_{V} {= T}_{gemessen} {+ dT}_{1} (repräsentativ für Vollast).$
Es gibt für jeden Flugzustand eine maximal zulässige Temperatur, die auch bei einem gealterten Triebwerk nicht überschritten werden darf. Diese absolute Temperaturobergrenze werde mit T_{V max} bezeichnet. T_V wird nun mit T_{V max} verglichen: ${dT}_{2} {= T}_{V max} {- T}_{V} .$
Der Wert dT₂ beschreibt also die Temperaturreserve, die noch für die Kompensation von Komponentenverschlechterungen zur Verfügung steht.
Während des Betriebes des Triebwerkes kann dT₂ ein oder mehrmals bestimmt werden. Wenn mehrere Werte für dT₂ bestimmt werden konnten, dann ist für die folgenden Berechnungen derjenige auszuwählen, bei dem der Meßwert T _gemessen am nächsten am Sollwert für Vollast T_{v soll} liegt.
Die Erfahrung zeigt, daß der gemäß oben beschriebener Vorschrift bestimmte Wert für dT₂ in der Praxis durch zufällige Störungen in den Meßwerten eine nicht unerhebliche Streuung haben wird. Daher wird dT₂ noch gefiltert. Der Wert dT₂ wird als Eingangswert in einem Algorithmus verwendet, der den Trend von dT₂ als Funktion von der Betriebszeit des Triebwerkes feststellt. Das kann zum Beispiel ein Algorithmus sein, der den gleitenden Mittelwert über eine bestimmte Anzahl von Betriebsstunden feststellt.
Das Ergebnis des Algorithmus ist der Wert dT_K. Dieser Wert gibt an, um wieviel der Turbinentemperatursollwert für Vollast verändert werden muß, um betriebszeitunabhängigen Vollastschub zu erreichen. dT_K ist bereinigt von allen zufälligen Steuungen und von Meßrauschen. Der Wert dT_K ist in der digitalen Regelung abzuspeichern. Der Wert dT_K kann auch außerhalb der Regelung aus während des Fluges abgespeicherten Momentaufnahmen berechnet werden.
Der Wert dT_K wird nach dem nächsten Start des Triebwerkes verwendet, den Wert für T_{v soll} zu korrigieren. Damit wird erreicht, daß der Sollwert für die Turbinentemperatur bei Vollast stets so angepaßt ist, daß für alle Flugzustände, bei denen das Triebwerk am Temperaturbegrenzer geregelt wird, der Schub unabhängig von der Betriebszeit bzw. der Qualität des Triebwerks bleibt.
Der Wert dT_K ist in seiner Änderungsrate in geeigneter Weise zu begrenzen. Durch Begrenzung von dT_K aufpositive Zahlwerte wird sichergestellt, daß auch nach Korrektur von T_{v soll} um den Betrag dT_K die absolute Temperaturobergrenze T_{V max} nicht überschritten wird.

Claims

Verfahren zur Regelung eines Turbo-Strahltriebwerkes, bei welchem eine für verschiedene Lufteintritts- und Flugzustandsgrößen gegebene, korrigierbare Vollast-Turbinentemperatur T_{v soll} mittels eines Reglers eingestellt und gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines für verschiedene Lufteintritts- und Flugzustände gegebenen Düsendrucksollwertes Ps_{7 soll} für Vollast die eingestellte Vollast-Turbinentemperatur T_{v soll} um einen betriebszeitabhängigen Korrekturwert dT_K korrigiert wird, der sich aus einem Satz gemessener Eingangs- und Regelgrößen bei stationärem Vollast- oder Teillast-Betriebszustand des Triebwerkes ergibt, wobei die Vollast-Turbinentemperatur T_{v soll} maximal gleich der höchst zulässigen Turbinentemperatur T_max ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturwert dT_K aus der Differenz zwischen der höchst zulässigen Turbinentemperatur T_max und einer Turbinenisttemperatur T_ist und nach Abzug einer errechneten Temperaturerhöhung dT₁ gebildet wird, die zur Erzielung des Düsendrucksollwertes Ps_{7 soll} für Vollast ausgehend von der Turbinenisttemperatur T_ist notwendig ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturerhöhung dT₁ aus einer gespeicherten Korrelation errechnet wird, die die Differenz zwischen dem stationär gemessenen Düsendruckistwert Ps_{7 ist} und dem Düsendrucksollwert Ps _soll in Abhängigkeit vom Betriebszustand verwendet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Betriebszustand aus einer vom stationär gemessenen Satz stammenden Lufteintrittstemperatur T₂ und einer dabei eingestellten Schubdüsenquerschnittsfläche A₈ ergibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des Korrekturwertes dT_K während eines Fluges bei stationären Betriebszuständen periodisch erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Bestimmung mehrerer Korrekturwerte dT_K während eines Fluges (Zeitintervalles) der bei der höchsten Turbinenisttemperatur errechnete Korrekturwert dT_K für die Korrektur der Vollast-Turbinentemperatur T_{v soll} herangezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur der Vollast-Turbinentemperatur T_{v soll} durch einen statistisch bereinigten Korrekturwert dT_{K trend} aus einer Anzahl einzelner Korrekturwerte dT_K erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur der Vollast-Turbinentemperatur T_{v soll} in einem Zusatzgerät zum Triebwerk aus während des Fluges aufgezeichneten Meßwerten bestimmt und in den Triebwerksregler übertragen wird.